Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – это высоко молекулярные соединения, молярная масса которых составляет от 25тыс. до 1млн. Нуклеиновые кислоты были обнаружены в ядрах живых клеток в 1869г. Они играют важнейшую роль в переносе генетической информации в живых существах от одного поколения к другому посредствам управления точным ходом биосинтеза белка в клетках. Нуклеиновые кислоты называются полинуклеотидами, это полимеры, цепи которых состоят из мономерных единиц – мононуклеотидов. Каждый мононуклеотид является 3-х компонентным образованием, он включает:

1. гетероциклическое азотистое основание (пуриновое или пиримидиновое) в лактамной форме.

2. углеродный остаток пентозы (рибозы или дезоксирибозы) в -фуранозном цикле

3. фосфатная группа – остаток Н₂РО₄

В зависимости от углеводородного компонента различают:

• рибонуклеотиды, содержащие остаток рибозы (например, структурные звенья РНК)

• дезоксирибонуклеотиды, содержащие остаток дезоксирибозы (ДНК)

Строение нуклеотидов

Нуклеозиды – это N-гликозиды, образованные азотистым основанием и пентозой. Азотистое основание присоединяется к углеродному компоненту вместо полуацетальной ОН-группы через атом N в положении 1 для пиримидинов и в положении 9 для пуринов, образуя N-гликозидную связь.

Например, образование аденозина из аденина (пуриновое основание) и рибозы.

Основой названия гликозидов является тривиальное название соответствующего азотистого основания с суффиксом “идин” для пиримидиновых и “озин” для пуриновых нуклеотидов. В РНК входят следующие нуклеотиды: аденозин, гуанозин, цитидин, урадин. Их азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин.

Строение мононуклеотидов

Нуклеотиды – это фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота присоединяется к пятому атому углерода пентозы образуя сложноэфирную связь. Например, рассмотрим образование 5-цитидиловой кислоты.

Нуклеотид имеет два названия:

1. как монофосфат соответствующего нуклеозида: цитидин-5-фосфат (СМР)

2. как кислота: 5-цитидиловая кислота.

Нуклеотиды являются кислотами, т.к. при физиологическом значении рН=7,34-7,36 фосфатные группы ионизированы.

Названия нуклеотидов РНК: аденин-5-фосфат (5-адениловая кислота – АМР); гуанозин-5-фосфат (5-гуаниловая кислота – GМР); цитидин-5-фосфат (5-цитидиловая кислота – СМР); уридин-5-фосфат (5-уридиловая кислота – UMP).

Названия нуклеотидов ДНК: дезоксиаденозин-5-фосфат (5-дезоксиадениловая – dAMP); дезоксигуанозин-5-фосфат (5-дезоксигуаниловая – dGMP); дезоксицитидин-5-фосфат (5-дезоксицитидиловая – dCMP); тимидин-5-фосфат (5-тимидиловая – dTMP).

Строение нуклеотидов РНК:

Строение нуклеотидов ДНК:

Мононуклеотиды – это не только компоненты нуклеиновых кислот, некоторые из них также могут свободно находиться в организме, играя важную роль. Наибольшее значение имеют адениловая кислота и её фосфатно-кислотные производные: аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), выполняющие энергетическую функцию.

Строение АТФ

АТФ относится к макроэнергетическим соединениям. Её энергия заключена между 2 и 3 остатками фосфорной кислоты. При гидролизе АТФ выделяется энергия, необходимая для осуществления многих биологических и биохимических процессов, таких как ионный транспорт, электрическая активность нервных клеток, биосинтез белка и др. при физиологическом значении рН (7,35) фосфатные группы АТФ ионизированы и могут образовать связи с катионами металлов, например с катионами Mg²⁺.

Гидролиз АТФ протекает ступенчато:

1. АТФ + Н₂О АДФ + Фн. При этом выделяется свободная энергия G^о=-(25-40) кДж/моль. Значение выделившейся энергии зависит от рН среды, присутствия катионов Mg²⁺ и др.

2. АДФ + Н₂О АМФ + Фн, G^о=-30 кДж/моль.

3. АМФ + Н₂О Аденозин + Фн, G^о=-14 кДж/моль.

Вместе с этим в организме протекают процессы синтеза АТФ – это эндотермические процессы. Энергия, выделяющаяся при биохимическом окислении белков, жиров и углеводов запасается в макроэргических связях АТФ.

Структура нуклеиновых кислот

Структура ДНК

Впервые структура ДНК была расшифрована в 1953г. Уотсоном и Криком. ДНК включает несколько уровней структурной организации. ДНК имеет первичную, вторичную и третичную структуры.

Первичная структура – это последовательность мононуклеотидов, соединённых (35) фосфодиэфирными связями. Полинуклеотидная цепь может включать сотни мононуклеотидных звеньев, соединённых (35) фосфодиэфирными связями, например, эти связи соединяют 5-дезоксиадениловую и 5-дезоксицитидиловую кислоты.

Вторичная стуктура ДНК – это пространственное расположение нуклеотидных цепей в молекуле ДНК. МолекулаДНК определяет собой две полинуклеотидные цепи, правозакрученные с образованием двойной спирали. Эти две полинуклеотидные цепи антипараллельны друг другу, т.е. направления фосфодиэфирных связей в них противоположны. В одной цепи 35 в другой 53. Вторичная структура стабилизируется за счёт образования водородных связей между парами комплиментарных азотистых оснований. Комплиментарность обозначает взаимодополняемость. Комплиментарными являютя: А=Т, ГЦ. Между А и Т возникает 2 водородные связи, а между Г и Ц – три водородные связи.

Комплиментарность цепей является химической основой важнейших функций ДНК – переноса и хранения наследственной информации.

Третичная структура ДНК представляет собой многократную спирализацию вторичной структуры, обеспечивая плотную упаковку ДНК в ядрах клеток.

Структура РНК

В основном обладают первичной структурой, сходной со структурой ДНК, только азотистое основание урацил вместо гуанина, углеводный компонент рибоза вместо дезоксирибозы. В зависимости от функций, места нахождения и состава РНК делятся на три основных вида:

1. и-РНК (информационная или матричная) 5-10% от всех РНК в клетке.

2. р-РНК (рибосомная) 80-90%

3. т-РНК (транспортная) 5-10%

Локализованы РНК в основном в цитоплазме и рибосомах, и-РНК несёт точную копию генетической информации, закодированной на определённом участке одной из нитей спирали ДНК, а именно информацию о последовательности аминокислот в белках. Каждой аминокислоте в и-РНК соответствует триплет нуклеотидов – кодон, например, аланину – ГЦЦ, лизину – ЦУУ. Переходя в цитоплазму, и-РНК переносит генетическую информацию к месту биосинтеза белков. Центром биосинтеза является рибосома – сложная структура, состоящая на 50% из и-РНК и на 50% из ассоциированных с ней специфических белков. Вступая в контакт с и-РНК, рибосома считывает заложенную в них информацию.

т-РНК обладает вторичной структурой, напоминающей лист клевера. Рассмотрим вторичную структуру т-РНК, приносящую аланин. Это частично спиралевидная одинарная полинуклеотидная цепь. Участки спирали удерживаются засчёт водородных связей между комплиментарными азотистыми основаниями. В РНК аденин комплиментарен урацилу (А=У), а цитозин – гуанину (ЦГ). Участки, не вовлекаемые в образование водородных связей, образуют петли. Так называемая антикодоновая петля, содержит триплет нуклеотидов – антикодон, который соответствует по принципу комплиментарности кодону в и-РНК.

Рибонуклеопротеиды

В организме нуклеиновые кислоты связаны с белком и образуют два вида нуклеопротеидов:

1. РНП – рибонуклеопротеиды, содержащие РНК и находящиеся в основном в цитоплазме.

2. ДНП – дезоксирибонуклеопротеиды, содержащие ДНК, локализованы в основном в ядре клетки.